世界首台铸锻铣一体化3D打印数控机床研发成功

近日，由华中科技大学机械学院张海鸥团队承担的 “高档数控机床与基础制造装备”科技重大专项进入验收阶段。基于该专项，团队成功研发出世界首台具有自主知识产权的铸锻铣一体化3D打印数控机床,首次实现了连续铸锻同步工艺，将重点应用于航空发动机制造领域。

数控机床是打造高端制造业核心竞争力的关键，被《中国制造 2025》列入“加快突破的战略必争领域”，且关系到基础制造产业安全与国家战略安全。即使在全球一体化的今天，欧美等西方国家和日本仍对中国实行关键设备和数控系统出口限制和监督使用，并且越发严格。振兴民族产业，提升国产数控复合制造装备整体竞争力势在必行。

2019年2月，武汉天昱智能制造有限公司、武汉重型集团有限公司、华中数控股份有限公司等单位共同申报了 2019 年度“高档数控机床与基础制造装备”科技重大专项。基于该专项，张海鸥团队开创性地采用微铸、微锻、铣、磨在一台数控机床上同工位集成，促进了具有自主知识产权、不受制于人的国产数控复合制造装备和数控系统的产业化发展。

工业“大象”的任务交“蚂蚁”来做

“传统工艺的铸造、锻造、铣削是分别完成的，直到用了这台机器，才实现了一体化。”张海鸥介绍，“我们可以把制作精密复杂零部件想象成包饺子。和面、擀皮、包饺子等各个环节都不能出问题，否则可能一煮就破。破了的饺子还能吃，但零件‘露馅’了只能也必须报废。”而铸锻铣一体化3D打印数控机床，不仅破解了在复杂曲面构建上同时进行打印增材、等材变形与铣削减材在同一装备上集成制造的核心难题，也将过去必须由工业“大象”完成的任务，轻松交由智能化的工业“蚂蚁”操作完成。

中航飞机股份有限公司作为应用单位，在验收报告中评价：微铸锻快速制造技术在飞机复合材料成形具制造方面具有明显的周期和成本优势。现有的制造技术尚难以满足飞机研制中气密，复杂，大型复合材料模具快速制造的要求。采用华中科技大学张海鸥团队的金属零件微铸锻合一快速制造新技术，一次成功试制了飞机复合材料成型模具。克服了制造气密、复杂、大型磨具难度大、成品率低，周期长的瓶颈问题，制造周期缩短1／2到1／3，是此类高性能模具的发展方向。

2020年4月14日，湖北省机械工程学会召开了由华中科技大学完成的“金属锻件微铸锻原位复合增材制造技术与装备”科技成果鉴定会。经质询和讨论，鉴定委员会认为:该项目整体技术居于国际领先水平。

近年来，团队相继成功打印出大型飞机航空发动机的高温合金机匣、铝合金机匣、钛合金叶轮等高端装备构件。提升了相关领域对国产数控复合制造装备的信赖程度，促进了我国大型先进飞机发动机自主研制的跨越式发展，有望成为航空制造领域早日全面实现“中国心”的破题之术。

华中大“居里夫妇”：做“中国制造”的“热血战士”

1998年，张海鸥和妻子王桂兰在日本东京大学完成学业后回国，共同任教于华中科技大学。2009年，张海鸥开始构想让金属3D打印制件具备锻件性能，从而应用于高端领域。“很多同行在这里受阻。”张海鸥偏偏去挑战一个大家都觉得不能完成的事，希望在金属3D打印中加入锻打技术。

3D打印虽已发展近30年，但由于没有锻造环节，制件普遍存在性能及可靠性不及锻件、易产生裂缝、变形等缺陷。张海鸥首次跟夫人王桂兰提出“铸锻铣一体化”构想时，实验条件恶劣、研究经费短缺，王桂兰毫不犹豫拿出家中仅有的积蓄全力支持他。

张海鸥夫妇的家离实验室很近，即便很近，他们还是觉得耽误时间，索性搬来一张行军床，困了就在实验室里躺一躺；平时学生们都是“四班倒”，而两位教授却始终“在一线”。正是如此，夫妇俩被师生们亲切地称为华科“居里夫妇”。

“当年我和实验室王湘平、唐尚勇等学生一起，跟张老师和王老师在通风不良、雨天屋顶瀑布、地面汪汪积水的破旧厂房里，度过了数不清的日日夜夜。印象最深的是盛夏时节，炙热的等离子弧灼烤着脸颊，眼睛刺得睁不开、皮肤火辣辣地疼，全身奇痒、蜕皮。。。”回忆最初跟随导师科研攻关的日子，如今已是技术产业化负责人之一的符友恒博士感慨万千。

“由于高端件对组织性能的要求极其苛刻，装备、工艺、原材料与操作及环境的许多细节都必须严格，一丝不苟。光是产品质量控制相关的文档都多达50个以上。”符友恒介绍。

2010年，大型飞机蒙皮热压成形模具的诞生，验证了张海鸥在3D打印中复合锻打的可行性。其后，该技术不断完善，打印出飞机用钛合金、高温合金、海洋深潜器、核电用钢等高端金属锻件，其性能均稳定超过传统制件。

眼下，中国制造业部分领域面临“大而不强”的局面。相关统计显示，我国中低端数控机床产量大，但部分高端数控机床仍需要进口。在航空发动机领域，也存在相似的问题：高性能复杂构件加工难度大、成本高，部分核心技术尚掌握在西方少数国家手中。

“正是如此，我们科研工作者作为华夏子孙，更需要以热血战士的心态去战斗、去冲锋，把核心技术掌握在国人自己手中！”王桂兰说。“希望我与丈夫能共同见证铸锻铣一体化3D打印技术全面应用的那一天，为中国制造贡献毕生力量！”

唯一列入国家限制出口目录的3D打印技术

8月28日，商务部、科技部调整发布《中国禁止出口限制出口技术目录》。铸锻铣一体化金属3D打印技术被列入限制出口目录。

此前，国际权威3D打印杂志《乌勒斯报告》（《Wholers Report》）曾评价道：中国张海鸥团队首创电弧熔积与原位热轧（铸锻铣）同步制造技术， 不同于国际同行团队的电弧熔积的分步制造技术。张海鸥团队利用铸锻铣工艺，获等轴细晶，成功制造出性能超过锻件的发动机零件。

“在获得国际同行的关注后，有美国的航空发动机制造商曾三顾茅庐来我这，想出高价购买铸锻铣一体化设备。考虑到这是关系国家与民族切身利益的事儿，我直接拒绝了。”

张海鸥透露，自从发明技术被列入出口限制后，想跟团队合力进行技术应用推广的国内投资人也多了起来。“毕竟，这是国外没有的中国原创发明。我们也迫切希望能够有更多的中国人参与进来，一起把铸锻铣金属3D打印技术推向大范围的应用，让中国在突破复杂大型零件制造的核心难题方面，从先进到领先，并能保持持续领先。”

责编：王凤君

融媒体记者：许涛 骆丹

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编辑：李家静